Nghiên cứu nguyên lý làm việc các khối điều khiển của SVC trong việc giữ ổn định điện áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ THANH SƠN

NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN
CỦA SVC TRONG VIỆC GIỮ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN

HÀ NỘI – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ THANH SƠN

NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN
CỦA SVC TRONG VIỆC GIỮ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐINH QUANG HUY

HÀ NỘI – 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi học hỏi, nghiên
cứu, tính toán và phân tích. Nội dung, số liệu được tham khảo và tập hợp từ nhiều
nguồn tài liệu khác nhau. Thuyết minh, mô phỏng và kết quả tính toán được bản
thân tôi thực hiện.

Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2014

Lê Thanh Sơn


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG I: THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TĨNH SVC ........... 3
1.1 Vấn đề bù công suất phản kháng trong hệ thống điện ............................... 3
1.2 Cấu tạo chung của thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC ................ 4
1.2.1 Cấu tạo chung ......................................................................................... 4
1.2.2 Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện ...................................... 6
1.3 Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR.......................................... 10
1.3.1 TCR một pha ........................................................................................ 10
1.3.2 TCR ba pha ........................................................................................... 15
1.4 Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor – TSR ............................................ 23
1.5 Tụ điện đóng cắt bằng thyristor – TSC .................................................... 23
1.5.1 Đóng tụ điện vào nguồn áp.................................................................... 23
1.5.2 Đóng tụ điện và cuộn cảm nối tiếp vào nguồn áp .................................. 24

1.5.3 Cấu tạo của TSC ................................................................................... 25
1.5.4 Nguyên lý hoạt động của TSC ............................................................... 27
1.4 Các cấu hình của thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC ................ 30
1.4.1 Cấu hình FC-TCR ................................................................................. 30
1.4.2 Cấu hình MSC-TCR.............................................................................. 31
1.4.3 Cấu hình TSC-TCR ............................................................................... 33
CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN CỦA
THIẾT BỊ SVC .................................................................................................... 35
2.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển của thiết bị bù tĩnh SVC .................... 35
2.2 Khối đo lường ............................................................................................ 35
2.2.1 Đo điện áp............................................................................................. 36
2.2.2 Đo dòng điện ........................................................................................ 39


2.2.3 Đo công suất ..................................................................................... 40
2.2.4 Các yêu cầu của khối đo lường.......................................................... 41
2.3 Điều khiển điện áp hệ thống ...................................................................... 41
2.3.1 Cơ sở điều chỉnh ................................................................................... 41
2.2.2 Điều chỉnh điện dẫn .............................................................................. 44
2.2.3. Thực hiện số hóa bộ điều chỉnh điện áp................................................ 46
2.3 Phát xung điều khiển ................................................................................ 47
2.4 Đồng bộ hóa hệ thống ................................................................................ 49
CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA SVC BẰNG PHẦN MỀM
MATLAB – SIMULINK ..................................................................................... 51
3.1 Xây dựng thiết bị SVC dựa trên số liệu thực tế ........................................ 51
3.1.1 Xây dựng TCR ...................................................................................... 53
3.1.2 Xây dựng bộ lọc hài .............................................................................. 54
3.2 Xây dựng mô phỏng bằng Matlab – Simulink. ......................................... 56
3.2.1 Giới thiệu về Matlab - Simulink ............................................................ 57
3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng ................................................................ 58

3.3 Tiến hành mô phỏng .................................................................................. 66
3.3.1 Tác dụng của SVC đối với tải có nguồn thay đổi. .................................. 66
3.3.2 Tác dụng của SVC với tải cảm đưa vào lưới điện khi điện áp lưới được
giữ cố định ..................................................................................................... 68
3.3.3 Tác dụng của SVC với tải cảm ngắt ra khỏi lưới điện khi điện áp lưới
được giữ cố định ............................................................................................ 71
3.3.4 Vấn đề sóng hài và lọc .......................................................................... 72
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 76


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

EPRI

Electric Power Research Institute

FACTS

Flexible Alternating Current Transmission Systems

MSC

Mechanical Switched Capacitor

SVC

Static Var Compensator

TCR

Thyristor Controlled Reactor

TSR

Thyristor Switched Reactor

TSC

Thyristor Switched Capacitor

GPG

Gate Pulse Generation


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1

Thông số chính của các bộ lọc............................................................ 52

Bảng 3.2

Thông số các bộ lọc SVC cho trạm Thái Nguyên ............................... 56

Bảng 3.3

Các khối chức năng trong hệ thống mô phỏng .................................... 59

Bảng 3.4

Thông số của các thành phần trong TCR ............................................ 60

Bảng 3.5

Các thành phần cấu tạo nên khối đo lường ......................................... 62

Bảng 3.6

Cấu tạo của thành phần tạo góc mở α ................................................. 64


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị SVC ................................. 5

Hình 1.2

Điều chỉnh điện áp tại một nút phụ tải trong trường hợp không có
SVC, có SVC giới hạn và có SVC lý tưởng. ......................................... 6

Hình 1.3

Biểu đồ thể hiện đường đặc tính truyền tải công suất khi hệ thống
không có SVC, có SVC giới hạn và có SVC vô hạn. ............................ 9

Hình 1.4

Cấu tạo của TCR một pha. ................................................................. 10

Hình 1.5

Dòng điện và điện áp của TCR trong trường hợp góc mở α = 1050 và
α = 1500. ............................................................................................ 11

Hình 1.6

Độ biến thiên của dung dẫn trong TCR theo góc mở α. ...................... 13

Hình 1.7

Các sóng hài của dòng điện qua TCR. ................................................ 14

Hình 1.8

Sóng hài cơ bản và tổng dòng điện các sóng hài cơ bản...................... 15

Hình 1.9

TCR ba pha nối tam giác, giá trị dòng điện pha và pha ứng với các
trường hợp khác nhau của góc mở α. .................................................. 16

Hình 1.10

Sơ đồ một nhánh của TCR ba pha có bộ lọc. ...................................... 17

Hình 1.11

Thiết bị SVC chỉ sử dụng TCR........................................................... 20

Hình 1.12

Đặc tuyến khác nhau của một SVC (a) Đặc tuyến V-A (b) Đặc tuyến dẫn.. 21

Hình 1.13

Nguyên lý hoạt động của TCR khi có điện áp điều khiển (a) Hệ
thống SVC (b) Đặc tuyến V-I ............................................................. 22

Hình 1.14

Đóng tụ điện vào nguồn áp (a) Sơ đồ mạch điện (b) Dạng điện áp và
dòng điện ........................................................................................... 24

Hình 1.15

Một TSC với kháng mắc nối tiếp........................................................ 25

Hình 1.16

Sơ đồ cấu tạo của các TSC. (a) TSC một pha. (b) TSC ba pha mắc tam
giác. (c) TSC ba pha mắc hình sao kết nối với thứ cấp máy biến áp. .... 26

Hình 1.17

Sơ đồ một bộ TSC bao gồm n các khối TSC ...................................... 27

Hình 1.18

Đặc tuyến làm việc của TSC .............................................................. 28

Hình 1.19

Dạng sóng minh họa quá trình đóng cắt không có quá độ của TSC .... 29

Hình 1.20

Đặc tính V-I của TSC ......................................................................... 30

Hình 1.21

Cấu hình FC-TCR .............................................................................. 31


Hình 1.22

Cấu hình MSC-TCR ........................................................................... 32

Hình 1.23

Máy phát công suất phản kháng tĩnh loại TSC-TCR và công suất của
nó so với công suất phản kháng đầu ra ............................................... 33

Hình 2.1

Sơ đồ khối một bộ điều khiển của thiết bị bù tĩnh SVC ...................... 35

Hình 2.2

Sơ đồ mạch đo lường cho bộ điều khiển của thiết bị bù tĩnh SVC ...... 36

Hình 2.3

Phướng pháp biến đổi tức thời đo giá trị tức thời của điện ba pha....... 37

Hình 2.4

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống đo Fourier một pha (a) và hệ
thống đo Fourier 3 pha (b) .................................................................. 38

Hình 2.5

Đo dòng TCR sử dụng biến dòng vi sai. ............................................. 39

Hình 2.6

Cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi PRM Megawat ................................. 40

Hình 2. 7

Thực hiện thay thế độ dốc dòng điện trong khâu điều chỉnh điện áp .. 43

Hình 2.8

Bộ điều chỉnh điện dẫn và các thiết bị chuyển mạch cơ: (a) Cấu trúc
chung; (b) bộ diều chỉnh điện dẫn; và (c) thiết bị chuyển mạch cơ khí.. 45

Hình 2.9

Hàm tuyến tính hóa. ........................................................................... 49

Hình 2.10

Mô hình PLL phổ thông diễn tả hệ thống điều khiển số ...................... 50

Hình 3.1

Sơ đồ SVC của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên .............................. 52

Hình 3.2

Mô hình hóa hệ thống mô phỏng tại trạm 220k Thái Nguyên ............. 57

Hình 3.3

Cấu tạo của TCR ................................................................................ 60

Hình 3.4

Sơ đồ của bộ điều khiển ..................................................................... 61

Hình 3.5

Khối đo lường trong bộ điều khiển của SVC ...................................... 61

Hình 3.6

Khối điều chỉnh điện áp ..................................................................... 63

Hình 3. 7

Khối tạo góc dẫn α ............................................................................. 63

Hình 3.8

Khối tạo xung điều khiển ................................................................... 64

Hình 3.9

Sơ đồ mô phỏng bằng Matlab – Simulink........................................... 66

Hình 3.10

Điện áp đo và điện áp tham chiếu trong trường hợp nguồn thay đổi. .. 67

Hình 3.11

Điện dẫn của SVC trong trường hợp nguồn thay đổi. ......................... 67

Hình 3.12

Góc mở Thyristor trong trường hợp nguồn thay đổi ........................... 68

Hình 3.13

Điện áp thanh cái và công suất phản kháng bù của SVC Khi đóng tải
cảm vào lưới điện ............................................................................... 68

Hình 3.14

Điên áp đo và tham chiếu khi đóng tải cảm vào lưới điện................... 69


Hình 3.16

Điện dẫn của SVC khi đóng tải cảm vào lưới điện. ............................ 69

Hình 3.17

Góc dẫn của TCR khi đóng tải cảm vào lưới điện .............................. 70

Hình 3.18

Điện áp và công suất phản kháng của SVC trong khi đóng tải cảm
vào lưới điện ...................................................................................... 70

Hình 3.19

Điện áp đo và tham chiếu khi ngắt tải cảm khỏi lưới điện. ................. 71

Hình 3. 20 Điện dẫn của SVC khi đóng ngắt tải cảm khỏi lưới điện..................... 71
Hình 3. 21 Góc dẫn TCR khi ngắt tải cảm khỏi lưới điện..................................... 72
Hình 3.22

Điện áp thanh cái và công suất bù của SVC khi ngắt tải cảm khỏi
lưới điện ............................................................................................. 72

Hình 3.23

Biên độ song hài trước khi có bộ lọc .................................................. 73

Hình 3.24

Biên độ sóng hài sau khi có bộ lọc ..................................................... 74


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Năng lượng đóng vai trò cực kì quan trọng trong sự phát triển kinh tế xã hội,
và điện năng lại là nhân tố đóng vai trò hàng đầu. Trong quá trình truyền tải điện
năng từ nhà máy tới nơi tiêu thụ, hệ thống truyền tải điện phải gánh chịu tổn thất
trong các quá trình truyền tải và phân phối điện năng.
Điện áp trong hệ thống điện luôn biến đổi là do sự biến đổi không ngừng của
phụ tải, trước hết là công suất phản kháng. Sự biến đổi điện áp dẫn đến hậu quả là
chất lượng điện năng ở các thiết bị dùng điện không đạt yêu cầu làm ảnh hưởng đến
công tác của hệ thống điện. Mức điện áp trong hệ thống điện ảnh hưởng lớn đến tổn
thất công suất và tổn thất điện năng trong hệ thống điện. Vì thế cần phải thực hiện
điều chỉnh điện áp liên tục trong quá trình vận hành hệ thống điện.
Bù công suất phản kháng là một phần của bài toán lập kế hoạch về công suất
phản kháng cho hệ thống điện và mục tiêu của nó là xác định loại, độ lớn và vị trí
của các nguồn công suất phản kháng (tụ điện, kháng, hay máy bù đồng bộ) nhằm
đảm bảo khả năng điều khiển điện áp của hệ thống điện trong các chế độ làm việc
khác nhau khi phối hợp với các nguồn công suất phản kháng hiện có.
Tác giả chọn đề tài “nghiên cứu nguyên lý làm việc các khối điều khiển của
SVC trong việc giữ ổn định điện áp” để nâng cao hiểu biết về các chế độ làm việc
cũng như cách bù công suất phản kháng của thiết bị SVC và thực hiện mô phỏng sự
làm việc của SVC trên Matlab-simulink.

2. Mục đích của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích của luận văn: Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động bộ điều
khiển của thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC. Thiết kế một hệ thống SVC
cho một bài toán đặt ra, theo dõi sự hoạt động của thiết bị SVC trong việc ổn định
hệ thống lưới điện nhằm nâng cao ổn áp khi các yếu tố tải thay đổi đột ngột.
Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC.
Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị SVC. Mô
phỏng sự làm của bộ SVC trong các trường hợp tải thay đổi.
1


3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra ở trên, luận văn được chia thành ba chương:
Chương 1: Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC
Chương 2: Nguyên lý làm việc các khối điều khiển của thiết bị SVC
Chương 3: Mô phỏng sự làm việc của thiết bị SVC bằng phần mềm MatlabSimulink
4. Phương pháp nguyên cứu
Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị bù công suất phản
kháng tĩnh SVC.
Tìm hiểu về bộ điều khiển trong thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC.
Mô phỏng sự làm việc của thiết bị SVC trong hệ thống điện bằng phần mềm
Matlab-Simulink khi tải thay đổi.
5. Kết luận
Những vấn đề mà luận văn đề cập tới, những tính toán và mô phỏng sau đó
cho thấy việc thiết kế bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC trong việc điểu khiển
dòng công suất phản kháng cũng như ổn định điện áp của một hệ thống lưới điện
cho các phụ tải biến đổi là việc hoàn toàn có khả năng thực hiện được.
Để hoàn thành cuốn luận văn này,tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
giáo TS. Đinh Quang Huy cùng thầy cô bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện –
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá

trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi và có những đóng góp quý báu cho bản luận văn.
Do năng lực còn có hạn chế nên những vấn đề và cách giải quyết vấn đề của
luận văn còn rất hạn chế và không tránh khỏi những sai sót. Tác giả rất mong nhận
được sự đóng góp chuyên môn của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp để bản luận
văn được hoàn thiện hơn.

2


CHƯƠNG I
THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TĨNH SVC
1.1 Vấn đề bù công suất phản kháng trong hệ thống điện
Công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến
áp,trên đường dây điện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu công suất phản kháng chỉ
có thể giảm tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ
trường, yếu tố trung gian cần thiết để chuyển hóa điện năng. Yêu cầu công suất
phản kháng được chia ra như sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70 đến 80%
- Máy biến áp hấp thụ 15 đến 25 %
- Đường tải điện và các phụ tải khác 5%
Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các xí nghiệp công nghiệp, cosφ
của chúng dao động từ 0,5 đến 0,85 có nghĩa là cứ tiêu thụ 1kW công suất tác dụng
thì chúng yêu cầu từ 0,75 đến 1,7kVAr công suất phản kháng. [1]
Công suất biểu kiến được xác định bởi công thức:

S  P2  Q2

(1.1)

Trong đó:
S: công suất biểu kiến (kVA)
P: công suất tác dụng (kW)
Q: công suất phản kháng (kVAr)
Trong xí nghiệp công nghiệp, các động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 65
đến 70%, MBA khoảng 15 đến 20%, các phụ tải khác từ 5 đến 10% tổng lượng
công suất phản kháng yêu cầu. Do đó muốn giảm yêu cầu công suất phản kháng
phải chú ý đến các động cơ không đồng bộ.
Nhu cầu công suất phản kháng ở phụ tải sinh hoạt, dân dụng không nhiều,
cosφ của chúng thường lớn hơn 0,9. Nhu cầu công suất phản kháng ở MBA công
suất nhỏ là 10% công suất định mức của chúng, MBA lớn là 3% còn các MBA siêu
cao thế có thể từ 8 đến 10%. Đặc điểm của công suất phản kháng là biến thiên mạnh
3


theo thời gian cũng như công suất tác dụng. Khả năng phát công suất phản kháng
của các nhà máy điện rất hạn chế cosφ = 0,8 – 0,85.
Cosφ là tỉ số công suất giữa P và S được tính bởi công thức:
cos 

P
S

(1.2)

Vì lí do kinh tế người ta không làm các máy phát ( MF) có khả năng phát
nhiều công suất phản kháng đủ cho phụ tải ( ở chế độ lớn nhất). Các MF chỉ đảm
đương một phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải, nó gánh chức năng điều
chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống điện ( HTĐ) làm cho nó đáp ứng được

nhanh chóng yêu cầu luôn thay đổi của phụ tải. Phần còn lại trông vào các thiết bị
bù công suất phản kháng.
Trước đây, các thiết bị bù công suất phản kháng không thể tự động điều chỉnh
được, hoặc có thì rất chậm, nhảy bậc. Ngày nay với sự phát triển của các thiết bị điện
tử công suất lớn, điện áp cao, công nghệ FACTS (Flexible Alternating Current
Transmission Systems) ra đời vào cuối thập niên 1980 của Viện nghiên cứu năng
lượng điện EPRI ( the Electric Power Research Institute) đã giúp cho quá trình điều
khiển công suất phản kháng trên đường dây truyền tải một cách linh hoạt và nhanh
chóng. SVC là thiết bị FACTS quan trọng, được sử dụng rất nhiều nhằm cải thiện tính
kinh tế của đường dây truyền tải bằng cách giải quyết các vấn đề điện áp. Nhờ độ chính
xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn
định và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng cao. Các thiết bị SVC cũng được sử
dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao
hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng. [3]
1.2 Cấu tạo chung của thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC
1.2.1 Cấu tạo chung
SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh có
khả năng sinh ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng.
SVC bao gồm hai phần cơ bản:
- Thành phần chấp hành để tác động về mặt công suất phản kháng như sinh
ra hay tiêu thụ công suất phản kháng.
4


- Thành phần điều khiển hay còn được gọi là khối điều khiển bao gồm các
thiết bị điện tử như thyristor, hệ thống điều khiển góc mở của thyristor dùng các bộ
vi điều khiển như PIC16f877.
Thành phần chấp hành của thiết bị SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính:
- TCR (Thyristor Controlled Reactor): Cuộn kháng được điều chỉnh bằng
thyristor có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

- TSR (Thyristor Switched Reactor): Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor có
chức năng tiêu thụ công suất phản kháng tức thời.
- TSC ( Thyristor Switched Capacitor): Bộ tụ đóng mở bằng thyristor có
chức năng phát ra công suất phản kháng tức thời.

Hình 1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị SVC
Khi lắp thiết bị SVC vào một điểm trong hệ thống điện, nó sẽ nâng cao khả
năng truyền tải của đường dây một cách đáng kể mà không dùng tới những thiết bị
điều khiển phức tạp khác. Thiết bị SVC không đấu nối trực tiếp vào thanh cái của
đường dây cao áp mà sẽ được nối thông qua máy biến áp. Việc giảm điện áp làm
việc của SVC sẽ làm giảm kích thước và dung lượng của thiết bị SVC cụ thể sẽ làm
giảm kích thước của bộ tụ bù. Bên cạnh đó, việc nối thiết bị SVC vào thanh cái cao
áp thông qua máy biến áp sẽ làm tăng kích thước các cuộn dây điện cảm để có thể
chịu được dòng điện lớn.
5


1.2.2 Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện
1.2.2.1 Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất
SVC là thiết bị có khả năng sinh ra và tiêu thụ công suất phản kháng – loại công
suất ảnh hưởng rất lớn tới điện áp. Trong hệ thống điện, đối với các sự cố ngắn mạch
và đường dây tải điện khoảng cách lớn, sự thay đổi công suất tải làm ảnh hưởng tới
chất lượng điện áp. Quá áp cũng gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng vì vậy cần phải
được kiểm soát. Quá áp gây ra hiện tượng tăng vọt các thành phần sóng hài và gây nên
hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp. Các thành phần sóng hài này cộng hưởng
với tụ điện và điện cảm nằm trên đường dây là nguyên nhân gây tác động nhầm của
các rơle, sự đánh hỏng của các chống sét van và phá hỏng các thiết bị tiêu thụ điện.
Biến thiên điện áp tại nút phụ tải là một hàm phụ thuộc vào công suất của toàn hệ
thống. Xét trong một ví dụ minh họa về hệ thống khi không có thiết bị SVC và có thiết
bị SVC để thấy được sự điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất:

Hình 1.2 Điều chỉnh điện áp tại một nút phụ tải trong trường hợp không có SVC, có
SVC giới hạn và có SVC lý tưởng.
Điện áp trên thanh cái của phụ tải sẽ có xu hướng giảm theo chiều tăng của
công suất tiêu thụ. Theo hình 1.2, đường biễu diễn (a) thể hiện đặc tính của điện áp khi
không lắp SVC. Đường biểu diễn (b) thể hiện đặc tính của điện áp khi có SVC nhưng
trong một giới hạn nhất định về khả năng sinh ra hay hấp thụ công suất phản kháng, vì
vậy nó giúp cho điện áp trên thanh cái tại điểm đấu SVC được giữ ổn định. Đường biểu
diễn (c) là trường hợp lý tưởng nhất khi thiết bị SVC không bị giới hạn về công suất
phản kháng sinh ra hay hấp thụ, điện áp trên thanh cái luôn luôn được giữ tại một giá trị
không đổi.
6


1.2.2.2 Ổn định dao động công suất hữu công
Dao động công suất hữu công là một hiện tượng có thể xảy ra sau quá trình quá
độ, ví dụ: giảm bớt công suất phát điện tại nguồn hoặc tự động đóng lại sự cố, mất tải
thình lình… Hiện tượng dễ xảy ra khi hệ thống điện trong trạng thái yếu.
Khi có dao động công suất hữu công xảy ra, để ổn định dao động công suất hữu
công, SVC điều khiển góc mở thyristor gần như tức thời.
1.2.2.3 Cân bằng phụ tải không đối xứng
SVC làm giảm sự mất đối xứng của phụ tải do nó có khả năng ổn định điện áp
từng pha riêng rẽ. Có thể đạt được sự cân bằng phụ tải, cân bằng điện áp và hiệu chỉnh
được hệ số công suất bằng cách bổ sung các cuộn kháng bù ngang. Vì các pha không
đối xứng nên chất lượng hệ thống điện bị ảnh hưởng cũng như ảnh hưởng tới các thiết
bị tải như các máy điện quay… Vì vậy nên trên lưới điện rất cần cân bằng phụ tải.
1.2.2.4 Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố bình thường
Mất tải đột ngột trên một đường dây và ngắn mạch yếu là những sự cố thường
xảy ra trong hệ thống điện. Thời gian quá áp sẽ giảm thấp hơn cả thời gian chỉnh định
Rơle do SVC có thể tác động trong khoảng 10ms. Vì vậy tính chất tải liên tục được

nâng cao và các Rơle không cần tác động. Các đường dây cao áp và siêu cao áp ở nước
ta có chiều dài lớn nên nhiều trường hợp phải ngắn mạch một phía các đoạn đường dây
có thể dẫn tới hiện tượng quá áp.
1.2.2.5 Cải thiện ổn định sau sự cố
Hệ thống phải giữ công suất truyền tải trên đường dây nhỏ hơn giá trị công suất
giới hạn ổn định để cho hệ thống giữ được trạng thái ổn định sau các nhiễu loạn lớn do
việc loại trừ các sự cố bằng tác động của các phần tử bảo vệ. Giới hạn ổn định quá độ
là mức công suất lớn nhất hệ thống có thể truyền tải đi sau những sự cố mà vẫn đảm
bảo trạng thái ổn định của hệ thống. Mức công suất này được giữ nhỏ hơn giá trị công
suất truyền tải thực tế trong điều kiện bình thường. Khả năng tải của đường dây sẽ tăng
lên nếu nếu có SVC tham gia vào hệ thống,thông qua SVC ta có thể giữ công suất
truyền tải bằng cách thay đổi góc mở Thyristor của TCR, lưới hệ thống cũng sẽ mau
chóng ổn định sau dao động do giá trị công suất giới hạn ổn định tăng lên.
7


1.2.2.6 Giảm cường độ dòng điện vô công
Giảm dòng vô công sẽ giảm bớt tổn thất gây ra bởi dòng điện này mà các nhà
máy điện phải cung cấp. Vì thế sẽ tăng năng suất của hệ thống điện và tiết kiệm được
năng lượng.
1.2.2.7 Tăng khả năng tải của đường dây
Sử dụng thiết bị SVC cho phép biến đổi các đặc tính của đường dây, công suất
tự nhiên của đường dây, có thể đạt được chế độ làm việc của đường dây, công suất
truyền tải luôn luôn bằng công suất tự nhiên của đường dây. Khi đặt SVC ở giữa đường
dây với công suất đủ lớn thì việc kiểm tra khả năng tải của đường dây chỉ ở giữa các
điểm có khả năng giữ điện áp không đổi chứ không phải giữa các vectơ điện áp ở đầu
và cuối đường dây. Công suất truyền tải của đường dây được giới hạn bởi cấp điện áp
vận hành và điện kháng trong các máy biến áp của hệ thống.
Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây được cho bởi công thức sau:

P
 sin
Pm

&

E2
Pm 
X

(1.3)

Trong đó
E: suất điện động của máy phát điện. Suất điện động này có giá trị bằng điện
áp trên thanh cái của máy phát.
X : điện kháng của toàn bộ hệ thống điện
P: công suất truyền tải trên đường dây
Pm: công suất lớn nhất mà đường dây có thể truyền tải được.
δ: góc lệch giữa điện áp tại điểm đang xét và điện áp đầu cực máy phát.
Công suất lớn nhất mà đường dây có thể truyền tải được khi góc δ = 900 có

E2
giá trị bằng Pm 
X

. Đây cũng chính là công suất truyền tải lớn nhất của hệ

thống mà vẫn đảm bảo được tính ổn định hay còn được gọi là giới hạn ổn định của
công suất truyền tải của hệ thống.
Khi đấu thêm các thiết bị SVC vào các điểm nút trên đường dây truyền tải.

Điện áp sẽ được cung cấp thêm bởi SVC, do đó sẽ làm tăng khả năng tải của đường
8


dây. Khi có thiết bị SVC với công suất đủ lớn được nối tại một nút của đường dây
sao cho điện kháng của hệ thống về hai phía của SVC bằng nhau thì khả năng
truyền tải công suất của hệ thống điện sẽ bằng:

P

 2sin
Pm
2

(1.4)

và điện áp U = E

Hình 1.3 Biểu đồ thể hiện đường đặc tính truyền tải công suất khi hệ thống không
có SVC, có SVC giới hạn và có SVC vô hạn.
Tại δ = 1800, giá trị công suất max của đường dây truyền tải tăng lên hai
lần. Thiết bị SVC cần phải có lượng công suất max là Qcmax = 4Pm để giữ trạng
thái ổn định trong trường hợp đường dây truyền tải với lượng công suất nhỏ hơn
giá trị công suất max. Trong thực tế, vì lý do kinh tế không cho phép, công suất
các thiết bị bù thường nhỏ hơn cũng được chấp nhận. Một thiết bị bù sẽ hoạt động
như một kháng bù ngang có công suất không đổi nếu công suất giới hạn được vận
hành lớn hơn công suất của nó. Vì vậy điện áp tại điểm giữ có giá trị bằng E và là
một hằng số.
9

Khi đó công suất tác dụng truyền tải sẽ giảm dần và được tính bởi công thức:

P

Pm

1
sin
QC
1
4Pm

(1.4)

Trong thực tế thông qua việc nghiên cứ dòng điện phụ tải với các thiết bị
SVC được nối tại các điểm quan trọng, việc tăng khả năng truyền tải công suất của
hệ thống điện có thể thực hiện được.
1.3 Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR
1.3.1 TCR một pha [3]
Một TCR một pha cơ bản bao gồm hai thyristor mắc song song và ngược chiều
nhau T1 và T2. Hai thyristor này được mắc nối tiếp với một cuộn kháng lõi
không khí. Cặp thyristor là các chuyển mạch nửa chu kì với van T1 dẫn ở nửa
chu kỳ dương và van T2 dẫn ở nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn.

Hình 1.4 Cấu tạo của TCR một pha.
Để phân bố đều điện áp trên cuộn dây, người ta chia cuộn cảm thành hai
phần giống nhau và cặp thyristor nằm giữa hai cuộn cảm đó. Do điện áp tối đa mà
thyristor có thể chịu được khoảng 10kV và dòng điện tối đa là 5kV nên trong thực
tế thường mắc nhều cặp thyristor nối tiếp nhau để thỏa mãn tính toán, thiết kế theo

công suất cho trước.
Góc mở α của TCR nằm trong khoảng từ 900 đến 1800. Khi góc mở α là 900
thì thyristor dẫn hoàn toàn, khi đó toàn bộ dòng điện sẽ chạy qua TCR, dạng điện áp
sẽ là sóng sin liên tục. Khi góc mở α tăng dần từ 900 đến 1800, dòng điện sẽ giảm
10


dần xuống 0. Khi đó dòng điện chảy qua TCR sẽ không liên tục nữa mà dòng điện
sẽ đối xứng ở cả hai nửa chu kỳ. Khi góc mở nhỏ hơn 900 dòng chảy qua TCR là
dòng một chiều. Điều này sẽ làm ảnh hưởng tới sự đối xứng trong hoạt động của hai
thyristor T1 và T2.

Hình 1.5 Dòng điện và điện áp của TCR trong trường hợp góc mở α = 1050 và α = 1500.
Theo lý thuyết, điện áp nguồn có dạng:

vs(t )  V sint

(1.5)

Khi đó dòng điện chảy qua TCR được biểu diễn bởi phương trình vi phân:

L

di
 v (t )  0
dt s
11

(1.6)

Tích phân phương trình ta có:

i (t ) 

1
v (t )dt  C
L s

(1.7)

Phân tích fourier rút ra được thành phần cơ bản của dòng điện qua TCR:
I1(α) =a1cos ωt + b1 sin ωt

(1.8)

Trong đó b1 = 0 và a1 được xác định theo công thức:

a1 

4 T /2
2 x
f ( x)cos
dx

T 0
T

(1.9)

Suy ra
I 1( ) 


V  2 1
 sin2 
1
L 
 


(1.10)

Phương trình có thể viết rút gọn lại thành
I1(α) = VBTCR(α)

(1.11)

 2 1

BTCR ( )  Bmax  1 
 sin2 
 



(1.12)

Với

Bmax 

1
L

(1.13)

Trong đó BTCR là dung dẫn của TCR phụ thuộc vào góc mở α
Góc mở α và góc dẫn σ được liên hệ theo công thức:




2



Kết hợp với phương trình

(1.14)
ta có:

   sin 
I 1( )  VBmax 





(1.15)

12


Hình 1.6 Độ biến thiên của dung dẫn trong TCR theo góc mở α.
Hoặc

I 1( )  VBTCR( )

(1.16)

Với
   sin 
BTCR ( )  Bmax 





(1.17)

Như vậy TCR đóng vai trò như là một cuộn kháng có thể thay đổi giá trị cảm
kháng. Khi góc mở α của thyristor thay đổi thì dung dẫn của TCR thay đổi dẫn đến
thay đổi thành phần dòng điện cơ bản. Vì vậy thay đổi giá trị công suất phản kháng
được hấp thụ bởi cuộn kháng khi điện áp trên hai đầu TCR không đổi.
Tuy nhiên khi góc điều khiển tăng quá 900, dòng điện trở nên không sin và
tạo ra các sóng hài. Nếu các góc mở của hai thyristor T1 và T2 đối xứng nhau trong
nửa chu kỳ âm và chu kỳ dương tương ứng thì chỉ có các sóng hài bậc lẻ được tạo
ra. Các sóng hài này có thể thấy qua phân tích fourier của các thành phần tần số bậc
cao. Giá trị hiệu dụng của dòng điện thành phần bậc lẻ được biểu diễn thông qua

góc mở như sau:

13


I n ( ) 


V 2  cos
sin(n  1) sin( n  1) 
2
sin n 


L  
n
n 1
n  1 
V 4  sin cos(n )  n cos sin( n ) 

 L  
n(n2 )


(1.18)

ở đây n = 2k+1 với k=1,2,3…

Hình 1.7 Các sóng hài của dòng điện qua TCR.
Sự thay đổi giá trị của các sóng hài bậc khác nhau được thể hiện trên hình 1.7.

Giá trị cực đại của các thành phần sóng hài được biểu diễn dưới dạng phần trăm so
với thành phần sóng hài cơ bản. Tại mỗi giá trị của góc điều khiển thì thời điểm đạt
giá trị cực đại của các dòng điện sóng hài khác nhau không xảy ra cùng một lúc.

14


Hình 1.8 Sóng hài cơ bản và tổng dòng điện các sóng hài cơ bản.
Trong thực tế các van Thyristor thường bao gồm nhiều chuỗi kết nối song
song với nhau. Mỗi chuỗi gồm nhiều các Thyristor được đấu nối tiếp với nhau. Các
van được đấu nối tiếp để tăng cường khả năng chịu điện áp cap tương ứng với điện
áp thứ cấp của máy biến áp nối TCR với hệ thống điện. Các van đấu song song của
các chuỗi để tăng cường khả năng dẫn dòng điện của các van.
1.3.2 TCR ba pha
Một TCR ba pha, sáu xung điều khiển bao gồm ba TCR một pha được ghép
nối hình tam giác. Cuộn cảm được chia làm hai phần giống nhau, ở giữa là một cặp
thyristor mắc song song và ngược chiều nhau, để mỗi van thyristor chỉ chịu một
phần điện áp xoay chiều của nguồn và làm các van không bị hỏng khi có sự cố ngắn
mạch ở hai đầu cuộn kháng.
Nếu nguồn điện ba pha là cân bằng và đối xứng, ba cuộn kháng có giá trị điện
cảm bằng nhau. Các van thyristor có thông số kỹ thuật và góc mở bằng nhau trên
mỗi pha thì xung dòng điện là đối xứng trong cả nửa chu kì âm và chu kì dương, khi
đó chỉ có sóng hài bậc lẻ được tạo ra. Giá trị phần trăm của dòng điện sóng hài với
sóng cơ bản trên các pha là tương tự nhau.
15